JP2000241126A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents
測定装置及び測定方法Info
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- JP2000241126A JP2000241126A JP4748599A JP4748599A JP2000241126A JP 2000241126 A JP2000241126 A JP 2000241126A JP 4748599 A JP4748599 A JP 4748599A JP 4748599 A JP4748599 A JP 4748599A JP 2000241126 A JP2000241126 A JP 2000241126A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 薄膜の膜厚測定に於いて、測定対象が半導
体素子面のように、パターン構造が存在し、２次元的に
一様でないとき、ブランク膜計測の場合のような一様な
膜から単純に予測されるような信号は得られず、精度良
く膜厚及び工程終了点を測定できなかった。 【解決手段】半導体装置製造工程における、ウェハ上の
絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び膜の成膜工程また
は除去工程に於ける工程終了点の片方または両方を測定
する測定方法に於いて、ウェハ上の膜面の全体または一
部分にプローブ光を照射する段階、膜面からの反射光ま
たは透過光の信号光強度の変化を実測する段階、プロー
ブ光の空間コヒーレンス長と、照射された面のパターン
の微細度とを比較する段階、比較した結果に基づいて光
学モデルを決定する段階、光学モデルに基づいて信号光
強度を理論計算する段階、実測された信号光強度と理論
計算された信号光強度とを比較する段階を持つことによ
って膜厚または工程終了点を知ることができるようにな
った。
体素子面のように、パターン構造が存在し、２次元的に
一様でないとき、ブランク膜計測の場合のような一様な
膜から単純に予測されるような信号は得られず、精度良
く膜厚及び工程終了点を測定できなかった。 【解決手段】半導体装置製造工程における、ウェハ上の
絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び膜の成膜工程また
は除去工程に於ける工程終了点の片方または両方を測定
する測定方法に於いて、ウェハ上の膜面の全体または一
部分にプローブ光を照射する段階、膜面からの反射光ま
たは透過光の信号光強度の変化を実測する段階、プロー
ブ光の空間コヒーレンス長と、照射された面のパターン
の微細度とを比較する段階、比較した結果に基づいて光
学モデルを決定する段階、光学モデルに基づいて信号光
強度を理論計算する段階、実測された信号光強度と理論
計算された信号光強度とを比較する段階を持つことによ
って膜厚または工程終了点を知ることができるようにな
った。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置製造工程に
おける、半導体素子の表面の絶縁層あるいは電極層の膜
厚や、除去工程や成膜工程において膜厚や工程終了点を
検知するための測定装置及び測定方法に関する。
おける、半導体素子の表面の絶縁層あるいは電極層の膜
厚や、除去工程や成膜工程において膜厚や工程終了点を
検知するための測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴い、多層
配線と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシ
ンなどの電極形成の技術の重要度は大きく高まってい
る。このプラグ、ダマシンなどを行うために金属膜の積
層後に余分な金属層の除去及び平坦化が要求される。更
に、リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦点
深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の範
囲での層間絶縁膜の平坦化の要求は大きい。
配線と、それに伴う層間絶縁膜形成や、プラグ、ダマシ
ンなどの電極形成の技術の重要度は大きく高まってい
る。このプラグ、ダマシンなどを行うために金属膜の積
層後に余分な金属層の除去及び平坦化が要求される。更
に、リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦点
深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の範
囲での層間絶縁膜の平坦化の要求は大きい。
【０００３】このような平坦化のため、一般にＣＭＰと
呼ばれる研磨工程が行われる。ＣＭＰ（Chemical Mecha
nical Polishing またはPlanarization ）は、物理的研
磨に、化学的な作用（研磨材、溶液による溶かしだし）
を併用して、ウェハの表面凹凸を除去していく工程で、
スラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布で、ウ
ェハ表面を加圧し、相対運動させることにより研磨を進
行させ、ウェハ面内に一様な研磨が可能になる。
呼ばれる研磨工程が行われる。ＣＭＰ（Chemical Mecha
nical Polishing またはPlanarization ）は、物理的研
磨に、化学的な作用（研磨材、溶液による溶かしだし）
を併用して、ウェハの表面凹凸を除去していく工程で、
スラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布で、ウ
ェハ表面を加圧し、相対運動させることにより研磨を進
行させ、ウェハ面内に一様な研磨が可能になる。
【０００４】半導体デバイスの高密度化に伴い、最近特
に重要化しているのは、平坦化プロセスにおける膜厚及
び工程終了点の測定である。これら測定の方法には、振
動、音響、摩擦変動、ウェハ回転やパッドの回転のモー
タートルクの変化、スラリー分析、等による方法と各種
あるが、最近特に測定精度の点で光学的方法が注目され
始めている。
に重要化しているのは、平坦化プロセスにおける膜厚及
び工程終了点の測定である。これら測定の方法には、振
動、音響、摩擦変動、ウェハ回転やパッドの回転のモー
タートルクの変化、スラリー分析、等による方法と各種
あるが、最近特に測定精度の点で光学的方法が注目され
始めている。
【０００５】光学的方法はウェハの被研磨面にプローブ
光を照射し、被研磨面を透過または反射した信号光を利
用して測定する方法である。
光を照射し、被研磨面を透過または反射した信号光を利
用して測定する方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】薄膜の膜厚測定を光学
的に行なう方法は種々知られており、干渉現象を用いる
方式においても、単層膜のみならず多層膜に対してもか
なりの精度が実現されている。ただ、これらはブランク
膜計測に対してのものである。測定対象面である半導体
素子面のように、パターン構造が存在し、２次元的に一
様でないとき、一様なブランク膜から単純に予測される
ような信号は得られず、精度良く膜厚及び工程終了点を
測定できなかった。
的に行なう方法は種々知られており、干渉現象を用いる
方式においても、単層膜のみならず多層膜に対してもか
なりの精度が実現されている。ただ、これらはブランク
膜計測に対してのものである。測定対象面である半導体
素子面のように、パターン構造が存在し、２次元的に一
様でないとき、一様なブランク膜から単純に予測される
ような信号は得られず、精度良く膜厚及び工程終了点を
測定できなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明は第一に、「半導体装置製造工程における、
ウェハ上の絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び前記膜
の成膜工程または除去工程に於ける工程終了点の、片方
または両方を測定する測定方法であって、前記ウェハ上
の前記膜面の全体または一部分にプローブ光を照射する
段階、前記膜面からの反射光または透過光の信号光強度
の変化を実測する段階、前記プローブ光の空間コヒーレ
ンス長と、前記照射された面（測定対象面）の構造（パ
ターン）の微細度とを比較する段階、前記比較した結果
に基づいて光学モデルを決定する段階、前記光学モデル
に基づいて信号光強度を理論計算する段階、前記実測さ
れた信号光強度と前記理論計算された信号光強度とを比
較することによって前記膜厚及び前記工程終了点の片方
または両方を検知する段階を有することを特徴とする測
定方法（請求項１）」を提供する。
め、本発明は第一に、「半導体装置製造工程における、
ウェハ上の絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び前記膜
の成膜工程または除去工程に於ける工程終了点の、片方
または両方を測定する測定方法であって、前記ウェハ上
の前記膜面の全体または一部分にプローブ光を照射する
段階、前記膜面からの反射光または透過光の信号光強度
の変化を実測する段階、前記プローブ光の空間コヒーレ
ンス長と、前記照射された面（測定対象面）の構造（パ
ターン）の微細度とを比較する段階、前記比較した結果
に基づいて光学モデルを決定する段階、前記光学モデル
に基づいて信号光強度を理論計算する段階、前記実測さ
れた信号光強度と前記理論計算された信号光強度とを比
較することによって前記膜厚及び前記工程終了点の片方
または両方を検知する段階を有することを特徴とする測
定方法（請求項１）」を提供する。
【０００８】また、第二に、「更に、前記測定対象面に
照射するプローブ光の空間コヒーレンス長（可干渉長）
が制御可能であることを特徴とする請求項１記載の測定
方法（請求項２）」を提供する。また、第三に、「更
に、前記測定対象面の微細度に応じて、空間コヒーレン
ス長を変化させる段階を有することを特徴とする請求項
１、２何れか１項記載の測定方法（請求項３）」を提供
する。
照射するプローブ光の空間コヒーレンス長（可干渉長）
が制御可能であることを特徴とする請求項１記載の測定
方法（請求項２）」を提供する。また、第三に、「更
に、前記測定対象面の微細度に応じて、空間コヒーレン
ス長を変化させる段階を有することを特徴とする請求項
１、２何れか１項記載の測定方法（請求項３）」を提供
する。
【０００９】また、第四に、「更に、前記理論計算され
た信号光強度が記憶される段階を有することを特徴とす
る請求項１〜３から選ばれた何れか１項記載の測定方法
（請求項４）」を提供する。また、第五に、「前記信号
光強度の理論計算が、指定された膜厚間隔で選ばれた複
数の膜厚に対して計算され、前記比較が、前記理論計算
された信号光強度と、前記実測された信号光強度との相
似性の比較により行われることを特徴とする請求項１〜
４から選ばれた何れか１項記載の測定方法（請求項
５）」を提供する。
た信号光強度が記憶される段階を有することを特徴とす
る請求項１〜３から選ばれた何れか１項記載の測定方法
（請求項４）」を提供する。また、第五に、「前記信号
光強度の理論計算が、指定された膜厚間隔で選ばれた複
数の膜厚に対して計算され、前記比較が、前記理論計算
された信号光強度と、前記実測された信号光強度との相
似性の比較により行われることを特徴とする請求項１〜
４から選ばれた何れか１項記載の測定方法（請求項
５）」を提供する。
【００１０】また、第六に、「前記相似性の比較が、前
記理論計算された信号光強度と実測された信号光強度と
の相互相関係数を用いて行われ、更に、必要に応じて前
記理論計算された信号光強度のフーリエ変換曲線と実測
された信号光強度のフーリエ変換曲線との相互相関係
数、及び前記理論計算された信号光強度のフーリエ成分
と実測された信号光強度のフーリエ成分の位置と大き
さ、の片方または両方を用いて行われることを特徴とす
る請求項１〜５から選ばれた何れか１項記載の測定方法
（請求項６）」を提供する。
記理論計算された信号光強度と実測された信号光強度と
の相互相関係数を用いて行われ、更に、必要に応じて前
記理論計算された信号光強度のフーリエ変換曲線と実測
された信号光強度のフーリエ変換曲線との相互相関係
数、及び前記理論計算された信号光強度のフーリエ成分
と実測された信号光強度のフーリエ成分の位置と大き
さ、の片方または両方を用いて行われることを特徴とす
る請求項１〜５から選ばれた何れか１項記載の測定方法
（請求項６）」を提供する。
【００１１】また、第七に、「半導体装置製造工程にお
ける、ウェハ上の絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び
前記膜の成膜工程または除去工程に於ける工程終了点の
片方または両方を測定する測定装置であって、前記ウェ
ハ上の前記膜面の一部にプローブ光を照射する照射部、
前記膜面からの反射光または透過光の信号光強度の変化
を実測する測定部、前記プローブ光の空間コヒーレンス
長と、前記照射された面（測定対象面）の構造（パター
ン）の微細度との比較に基づいた光学モデルに基づいて
信号光強度を理論計算する計算部、前記実測された信号
光強度と前記理論計算された信号光強度とを比較するこ
とによって前記膜厚及び前記工程終了点の片方または両
方を検知する演算部を具えることを特徴とする測定装置
（請求項７）」を提供する。
ける、ウェハ上の絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び
前記膜の成膜工程または除去工程に於ける工程終了点の
片方または両方を測定する測定装置であって、前記ウェ
ハ上の前記膜面の一部にプローブ光を照射する照射部、
前記膜面からの反射光または透過光の信号光強度の変化
を実測する測定部、前記プローブ光の空間コヒーレンス
長と、前記照射された面（測定対象面）の構造（パター
ン）の微細度との比較に基づいた光学モデルに基づいて
信号光強度を理論計算する計算部、前記実測された信号
光強度と前記理論計算された信号光強度とを比較するこ
とによって前記膜厚及び前記工程終了点の片方または両
方を検知する演算部を具えることを特徴とする測定装置
（請求項７）」を提供する。
【００１２】また、第八に、「更に、前記プローブ光の
空間コヒーレンス長（可干渉長）を制御可能とする空間
コヒーレンス長制御部を具えることを特徴とする請求項
７記載の測定装置（請求項８）」を提供する。また、第
九に、「更に、前記理論計算された信号光強度を記憶す
る記憶部を具えることを特徴とする請求項７、８何れか
１項記載の測定装置（請求項９）」を提供する。
空間コヒーレンス長（可干渉長）を制御可能とする空間
コヒーレンス長制御部を具えることを特徴とする請求項
７記載の測定装置（請求項８）」を提供する。また、第
九に、「更に、前記理論計算された信号光強度を記憶す
る記憶部を具えることを特徴とする請求項７、８何れか
１項記載の測定装置（請求項９）」を提供する。
【００１３】また、第十に、「前記演算部が、前記理論
計算された信号光強度と実測された信号光強度との相互
相関係数を用いて相似性の比較を行い、更に、必要に応
じて前記理論計算された信号光強度のフーリエ変換曲線
と実測された信号光強度のフーリエ変換曲線との相互相
関係数、及び前記理論計算された信号光強度のフーリエ
成分と実測された信号光強度のフーリエ成分の位置と大
きさ、の片方または両方を用いて相似性の比較を行うこ
とを特徴とする請求項７〜９から選ばれた何れか１項記
載の測定装置（請求項１０）」を提供する。
計算された信号光強度と実測された信号光強度との相互
相関係数を用いて相似性の比較を行い、更に、必要に応
じて前記理論計算された信号光強度のフーリエ変換曲線
と実測された信号光強度のフーリエ変換曲線との相互相
関係数、及び前記理論計算された信号光強度のフーリエ
成分と実測された信号光強度のフーリエ成分の位置と大
きさ、の片方または両方を用いて相似性の比較を行うこ
とを特徴とする請求項７〜９から選ばれた何れか１項記
載の測定装置（請求項１０）」を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の測定
装置の光学系を説明する図である。説明と理解の容易の
ためにごく限定された図と説明で本発明を説明するが、
本発明は本図と本説明に限定されるものではない。図１
において、１は白色光源、２は空間コヒーレンス制御
部、３はレンズ光学系、４はビームスプリッター、５は
コリメートレンズ、６はウェハ、７は測定対象面、８は
レンズ、等を含む光学系、９は分光器（グレーティン
グ）、１０は光学検出装置である。ここで、白色光源と
しては、公知のタングステンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンランプ等の光源が用いられる。空間コヒ
ーレンス制御部２としては幅が可変できる送りネジ等を
設けたスリットが好ましく用いられる。受光側の光学系
の光路上には、図示されないが、好ましくは、適当なス
リット等を設け１次以上の光は除去され、０次光のみが
光学検出装置１０に入射するよう調整される。分光器９
としては、公知のグレーティング、プリズム等があり、
特に限定されないが、グレーティングが好ましい例であ
る。光学検出装置１０としては、分光器９により分光さ
れた各波長の光を同時に受光できるように一次元方向に
分離された複数の受光部を有するラインセンサーが好ま
しく用いられる。
装置の光学系を説明する図である。説明と理解の容易の
ためにごく限定された図と説明で本発明を説明するが、
本発明は本図と本説明に限定されるものではない。図１
において、１は白色光源、２は空間コヒーレンス制御
部、３はレンズ光学系、４はビームスプリッター、５は
コリメートレンズ、６はウェハ、７は測定対象面、８は
レンズ、等を含む光学系、９は分光器（グレーティン
グ）、１０は光学検出装置である。ここで、白色光源と
しては、公知のタングステンランプ、メタルハライドラ
ンプ、キセノンランプ等の光源が用いられる。空間コヒ
ーレンス制御部２としては幅が可変できる送りネジ等を
設けたスリットが好ましく用いられる。受光側の光学系
の光路上には、図示されないが、好ましくは、適当なス
リット等を設け１次以上の光は除去され、０次光のみが
光学検出装置１０に入射するよう調整される。分光器９
としては、公知のグレーティング、プリズム等があり、
特に限定されないが、グレーティングが好ましい例であ
る。光学検出装置１０としては、分光器９により分光さ
れた各波長の光を同時に受光できるように一次元方向に
分離された複数の受光部を有するラインセンサーが好ま
しく用いられる。
【００１５】測定は以下のように行われる。ここで、測
定対象面７は半導体素子パターン上に絶縁層が形成され
たものである。白色光１は空間コヒーレンス制御部２で
スリット幅を調整することにより適当な空間コヒーレン
ス長に調整され、光学系３とビームスプリッター４を通
って、コリメートレンズ５により平行にされ、ウェハ６
の測定対象面７に照射される。照射光は測定対象面７の
情報を持って、信号光として反射される。信号光は、光
学系８を通っている間に０次光のみが、分光器（回折格
子）９により波長分解され、分光された異なった波長の
光は異なった方向に向かい、光ダイオード型のラインセ
ンサ（５１２素子）１０で検出される。
定対象面７は半導体素子パターン上に絶縁層が形成され
たものである。白色光１は空間コヒーレンス制御部２で
スリット幅を調整することにより適当な空間コヒーレン
ス長に調整され、光学系３とビームスプリッター４を通
って、コリメートレンズ５により平行にされ、ウェハ６
の測定対象面７に照射される。照射光は測定対象面７の
情報を持って、信号光として反射される。信号光は、光
学系８を通っている間に０次光のみが、分光器（回折格
子）９により波長分解され、分光された異なった波長の
光は異なった方向に向かい、光ダイオード型のラインセ
ンサ（５１２素子）１０で検出される。
【００１６】ここで、半導体素子パターンとコヒーレン
ス長の関係について詳しく述べる。半導体素子パターン
は、光学的には二次元的に分布した複数の、積層薄膜の
パターン構造（微細構造）から成ると見做され、一般に
プローブ光は図３で模式的に示すように、ウェハの測定
対象面のパターン構造の基本単位を複数個照射する。図
３では基本単位を約４個カバーするよう照射されてい
る。これら照射面の各パターンからの各成分反射光が複
雑に重ね合わせられ、信号光として受光されるのであ
る。図４は、半導体素子の測定対象面のパターン構造の
ある部分の拡大断面図であり、光の重ね合わせの概念を
示す。パターン構造のある部分の膜厚を、微細構造より
大きなスポット（拡がり）の光をあてて計測しようとす
ると、スポット内にあるパターン各部からの光の影響を
考慮しなければならない。図４で、各部分からの反射光
は複雑に重ね合わせられるが、これらを単純化してモデ
ル化した。６はウェハ、２３はパターン構造の基本単位
の一部分をモデル化したものであり、電極とデバイス部
分から成る。２４はその上の絶縁膜、２５はパターン構
造の各部分から成分反射光であり、これら各成分反射光
は振幅分割（薄膜）干渉光である。振幅分割の数は、黒
の上向きの矢印の数で示される。２０はパターン構造の
基本単位である。図６には成分反射光が３本示される。
２７は空間コヒーレンス長であり、２６はこれら各成分
反射光がパターン間干渉するパターン間干渉領域を示し
たものである。ここで重要なことは、パターン間（膜面
方向）の干渉が起こるかどうかである。
ス長の関係について詳しく述べる。半導体素子パターン
は、光学的には二次元的に分布した複数の、積層薄膜の
パターン構造（微細構造）から成ると見做され、一般に
プローブ光は図３で模式的に示すように、ウェハの測定
対象面のパターン構造の基本単位を複数個照射する。図
３では基本単位を約４個カバーするよう照射されてい
る。これら照射面の各パターンからの各成分反射光が複
雑に重ね合わせられ、信号光として受光されるのであ
る。図４は、半導体素子の測定対象面のパターン構造の
ある部分の拡大断面図であり、光の重ね合わせの概念を
示す。パターン構造のある部分の膜厚を、微細構造より
大きなスポット（拡がり）の光をあてて計測しようとす
ると、スポット内にあるパターン各部からの光の影響を
考慮しなければならない。図４で、各部分からの反射光
は複雑に重ね合わせられるが、これらを単純化してモデ
ル化した。６はウェハ、２３はパターン構造の基本単位
の一部分をモデル化したものであり、電極とデバイス部
分から成る。２４はその上の絶縁膜、２５はパターン構
造の各部分から成分反射光であり、これら各成分反射光
は振幅分割（薄膜）干渉光である。振幅分割の数は、黒
の上向きの矢印の数で示される。２０はパターン構造の
基本単位である。図６には成分反射光が３本示される。
２７は空間コヒーレンス長であり、２６はこれら各成分
反射光がパターン間干渉するパターン間干渉領域を示し
たものである。ここで重要なことは、パターン間（膜面
方向）の干渉が起こるかどうかである。
【００１７】このパターン間の干渉が生起するかどうか
は、理論計算において非常に重要であるが、これは、基
本的には、計測対象のパターンの精細度と、照射してい
るスポットの空間コヒーレント長（可干渉長）に依存す
る。スポット内のパターン構造（微細構造）の基本単位
（ピッチ）が、コヒーレント長より短ければ、互いに干
渉を起こすが、長ければ起こさない。
は、理論計算において非常に重要であるが、これは、基
本的には、計測対象のパターンの精細度と、照射してい
るスポットの空間コヒーレント長（可干渉長）に依存す
る。スポット内のパターン構造（微細構造）の基本単位
（ピッチ）が、コヒーレント長より短ければ、互いに干
渉を起こすが、長ければ起こさない。
【００１８】測定系の空間コヒーレンス長は一般に、理
想的な点光源では無限長になるが、一般には、すべての
光学系では有限の長さになる。本発明では、この空間コ
ヒーレンス長を、光学系を変化（光学部材の配置など）
させることにより調整可能とした。従って、計測対象の
パターンの微細度との関係で空間コヒーレンス長を制御
することによって、上の理論計算を適切ならしめること
ができる。
想的な点光源では無限長になるが、一般には、すべての
光学系では有限の長さになる。本発明では、この空間コ
ヒーレンス長を、光学系を変化（光学部材の配置など）
させることにより調整可能とした。従って、計測対象の
パターンの微細度との関係で空間コヒーレンス長を制御
することによって、上の理論計算を適切ならしめること
ができる。
【００１９】空間コヒーレンス長の制御の一方法とし
て、本発明では、光源の見込み角を可変にすることによ
る方法を採用した。光源を見込むＮＡ（開口数）と、波
長間に、ゼルニケの定理と呼ばれる定理があり、 空間コヒーレンス長〜０．６１（λ／ＮＡ） の比例関係が成り立つので、このＮＡを変化させること
によって好ましく空間コヒーレンス長が変えられる。更
に、具体例としては、上記のように、光源後の集光系に
おけるスリットの径を変化させることによって好ましく
空間コヒーレンス長の制御が行えるのである。
て、本発明では、光源の見込み角を可変にすることによ
る方法を採用した。光源を見込むＮＡ（開口数）と、波
長間に、ゼルニケの定理と呼ばれる定理があり、 空間コヒーレンス長〜０．６１（λ／ＮＡ） の比例関係が成り立つので、このＮＡを変化させること
によって好ましく空間コヒーレンス長が変えられる。更
に、具体例としては、上記のように、光源後の集光系に
おけるスリットの径を変化させることによって好ましく
空間コヒーレンス長の制御が行えるのである。
【００２０】図１に戻って、通常のウェハのデバイスパ
ターンの測定に於いては、空間コヒーレンス長をパター
ン寸法、即ちパターンの基本単位よりも大きな値に設定
しておくのが好ましい。ウェハのデバイスパターンの殆
どは基本単位が１μｍ以下であり、空間コヒーレンス長
を白色光源で１μｍよりも充分に大きくすることは比較
的容易であるからである。この条件で実測した信号光強
度は、パターン間（膜面方向）の干渉が起こる条件で理
論計算された信号光強度と良く一致する。しかしなが
ら、基本単位が数十μｍを超える粗いパターンの場合、
白色光源で空間コヒーレンス長を、粗いパターンの基本
単位よりも充分に大きくすることはそれほど容易ではな
い。このような粗いパターンの計測の場合は、逆に干渉
しない条件で信号光強度の理論計算を行う。この場合、
実測に当たって、光源は逆にコヒーレンス長をパターン
の基本単位よりも充分に小さく調整しておく。このよう
にすることにより反射光強度の理論計算値と実測値を良
く一致させることができるので、これも好ましい測定条
件である。
ターンの測定に於いては、空間コヒーレンス長をパター
ン寸法、即ちパターンの基本単位よりも大きな値に設定
しておくのが好ましい。ウェハのデバイスパターンの殆
どは基本単位が１μｍ以下であり、空間コヒーレンス長
を白色光源で１μｍよりも充分に大きくすることは比較
的容易であるからである。この条件で実測した信号光強
度は、パターン間（膜面方向）の干渉が起こる条件で理
論計算された信号光強度と良く一致する。しかしなが
ら、基本単位が数十μｍを超える粗いパターンの場合、
白色光源で空間コヒーレンス長を、粗いパターンの基本
単位よりも充分に大きくすることはそれほど容易ではな
い。このような粗いパターンの計測の場合は、逆に干渉
しない条件で信号光強度の理論計算を行う。この場合、
実測に当たって、光源は逆にコヒーレンス長をパターン
の基本単位よりも充分に小さく調整しておく。このよう
にすることにより反射光強度の理論計算値と実測値を良
く一致させることができるので、これも好ましい測定条
件である。
【００２１】以上のような、膜面方向の干渉が起こる場
合、もしくは起こらない場合の反射光信号は、光の重ね
合わせの光学的計算を行うことにより算出することがで
きる。しかし、反射光信号から、測定したい膜厚の値を
直接に計算することは、一般的には容易ではないので、
本発明では、あらかじめ、仮定された膜厚、寸法を有す
るパターン構造からの反射光強度を計算し、これと、反
射光強度の実測値の比較を行うことにより、膜厚を算出
する。
合、もしくは起こらない場合の反射光信号は、光の重ね
合わせの光学的計算を行うことにより算出することがで
きる。しかし、反射光信号から、測定したい膜厚の値を
直接に計算することは、一般的には容易ではないので、
本発明では、あらかじめ、仮定された膜厚、寸法を有す
るパターン構造からの反射光強度を計算し、これと、反
射光強度の実測値の比較を行うことにより、膜厚を算出
する。
【００２２】具体的には、予め測定対象のパターンの微
細度（基本単位の寸法）に応じて、パターン間干渉する
条件、或いは干渉しない条件で、測定精度から決まる膜
厚間隔で選ばれた複数の膜厚に対して計算し、これを、
ある実施例では、計算データとして各種パターン毎に、
各膜厚毎に計算し、記憶装置に予め記憶しておくのであ
る。
細度（基本単位の寸法）に応じて、パターン間干渉する
条件、或いは干渉しない条件で、測定精度から決まる膜
厚間隔で選ばれた複数の膜厚に対して計算し、これを、
ある実施例では、計算データとして各種パターン毎に、
各膜厚毎に計算し、記憶装置に予め記憶しておくのであ
る。
【００２３】以上とは異なり、パターン間干渉有り、無
しの中間的状態である部分干渉の条件で、信号光強度の
理論計算を行うのは、比較的困難であり、更にそれ以上
に、このような部分干渉する条件でのコヒーレンス長に
固定的に設定した光学系で計測する場合、パターンの微
細度の僅かな変化に対しても、部分干渉の程度が異なる
ので、微細度が僅かに異なるパターンに対して、異なる
部分干渉条件で計算しておく面倒が生じる。
しの中間的状態である部分干渉の条件で、信号光強度の
理論計算を行うのは、比較的困難であり、更にそれ以上
に、このような部分干渉する条件でのコヒーレンス長に
固定的に設定した光学系で計測する場合、パターンの微
細度の僅かな変化に対しても、部分干渉の程度が異なる
ので、微細度が僅かに異なるパターンに対して、異なる
部分干渉条件で計算しておく面倒が生じる。
【００２４】従って、干渉、非干渉の区別を明確につけ
るために、空間コヒーレンス長を微細度に応じて可変に
することは、非常に有効である。ある実施例では、本発
明の測定は、図２のような、膜厚及び終点検出装置を具
えた研磨装置に適用される。図２で、１１はウェハ６を
保持した研磨ヘッド、１３は研磨パッド、１４は研磨定
盤、１５は透光窓、１７は照射光と反射光、１６は光学
測定部、１８は信号処理部、１９は表示部である。研磨
ヘッド１１と研磨定盤１４を各々回転させ、ウェハ６と
研磨パッド１３との間にスラリー（図示されず）を供給
しながら相対運動を与えることにより研磨が行われる。
ウェハへの光照射は、透光窓１５を通して行われ、ウェ
ハのパターン面からの反射光は光学測定部１６で受光さ
れ、信号光が信号処理部１８に送られる。信号処理部１
８には予め各種パターン毎に、各種膜厚毎に信号光強度
が計算され、記憶装置に記憶されている。信号処理部１
８で、実測された信号光強度と呼び出され信号光強度の
比較が行われる。比較に於いては、呼び出された各パタ
ーン、各膜厚に対する各信号光強度と、実測された信号
光強度の各相互相関係数を計算し、相関が最も高かった
パターンと膜厚を、実測した対象パターン種、膜厚と見
做すのである。この相似性の比較に於いて、信号光強度
の相互相関係数のみの比較では、パターン種の関係で膜
厚の同定が困難なことがある。この場合、信号光強度に
よる相互相関係数による比較に加えて、信号光強度のフ
ーリエ変換曲線の計算値と実測値との相互相関係数の比
較を併用することが好ましく、或いは、信号光強度のフ
ーリエ成分と実測された信号光強度のフーリエ成分の位
置と大きさの比較を行うことも好ましく、更にこれらの
両方を用いることも好ましい。
るために、空間コヒーレンス長を微細度に応じて可変に
することは、非常に有効である。ある実施例では、本発
明の測定は、図２のような、膜厚及び終点検出装置を具
えた研磨装置に適用される。図２で、１１はウェハ６を
保持した研磨ヘッド、１３は研磨パッド、１４は研磨定
盤、１５は透光窓、１７は照射光と反射光、１６は光学
測定部、１８は信号処理部、１９は表示部である。研磨
ヘッド１１と研磨定盤１４を各々回転させ、ウェハ６と
研磨パッド１３との間にスラリー（図示されず）を供給
しながら相対運動を与えることにより研磨が行われる。
ウェハへの光照射は、透光窓１５を通して行われ、ウェ
ハのパターン面からの反射光は光学測定部１６で受光さ
れ、信号光が信号処理部１８に送られる。信号処理部１
８には予め各種パターン毎に、各種膜厚毎に信号光強度
が計算され、記憶装置に記憶されている。信号処理部１
８で、実測された信号光強度と呼び出され信号光強度の
比較が行われる。比較に於いては、呼び出された各パタ
ーン、各膜厚に対する各信号光強度と、実測された信号
光強度の各相互相関係数を計算し、相関が最も高かった
パターンと膜厚を、実測した対象パターン種、膜厚と見
做すのである。この相似性の比較に於いて、信号光強度
の相互相関係数のみの比較では、パターン種の関係で膜
厚の同定が困難なことがある。この場合、信号光強度に
よる相互相関係数による比較に加えて、信号光強度のフ
ーリエ変換曲線の計算値と実測値との相互相関係数の比
較を併用することが好ましく、或いは、信号光強度のフ
ーリエ成分と実測された信号光強度のフーリエ成分の位
置と大きさの比較を行うことも好ましく、更にこれらの
両方を用いることも好ましい。
【００２５】このような方法をとる理由は、一般にウェ
ハのパターンは形状、微細度が様々な複数のパターンを
有し、膜厚の実測においてはどのパターンにプローブ光
を照射し、測定しているかの判定が第一に肝要であるか
らである。以上のような測定を研磨の間中繰り返し、目
的の膜厚になった段階で研磨を終了する。ある実施例で
は、ウェハは研磨装置から外され、ウェハを測定台上に
置いてオフラインで、上記と同様にパターンの膜厚が測
定される。
ハのパターンは形状、微細度が様々な複数のパターンを
有し、膜厚の実測においてはどのパターンにプローブ光
を照射し、測定しているかの判定が第一に肝要であるか
らである。以上のような測定を研磨の間中繰り返し、目
的の膜厚になった段階で研磨を終了する。ある実施例で
は、ウェハは研磨装置から外され、ウェハを測定台上に
置いてオフラインで、上記と同様にパターンの膜厚が測
定される。
【００２６】
【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば、デバイス
ウェハの膜厚測定にあたって、コヒーレンス長の制御を
行うので、パターンの微細度が様々であっても、正確な
膜厚測定ができる。
ウェハの膜厚測定にあたって、コヒーレンス長の制御を
行うので、パターンの微細度が様々であっても、正確な
膜厚測定ができる。
【図１】本発明の実施の形態の測定装置の光学系の概要
を説明する図である。
を説明する図である。
【図２】本発明の測定装置を組み込んだ研磨装置の図で
ある。
ある。
【図３】本発明の測定装置のプローブ光がウェハ上のパ
ターンを照射する様子の概念図である。
ターンを照射する様子の概念図である。
【図４】半導体素子のパターン構造のある部分の拡大断
面図であり、光の重ね合わせの概念を示す。は、実施例
における測定光学系の概要図である。
面図であり、光の重ね合わせの概念を示す。は、実施例
における測定光学系の概要図である。
１ 白色光源 ２ 空間コヒーレンス制御部（スリット） ３ 光学系 ４ ビームスプリッタ ５ コリメートレンズ ６ ウェハ ７ 測定対象面 ８ 光学系 ９ 分光器（グレーティング） １０ 光学検出装置（ラインセンサ） １１ 研磨ヘッド １３ 研磨パッド １４ 研磨定盤 １５ 透光窓 １６ 光学測定部 １７ 照射光と反射光 １８ 信号処理部 １９ 表示部 ２０ パターンの基本単位 ２１ 照射光 ２２ 測定対象面のパターン ２３ 電極及びデバイス ２４ 絶縁膜（層間絶縁膜） ２５ 各成分反射光 ２６ パターン間干渉領域 ２７ 空間コヒーレンス長
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｕ Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB01 BB02 BB17 BB18 CC17 CC31 FF42 FF51 GG12 GG24 HH03 HH13 JJ02 JJ18 JJ25 LL04 LL12 LL28 LL42 LL46 LL67 NN00 QQ16 QQ23 QQ25 QQ41 TT06 3C058 AA07 AA09 AA14 AC02 BA01 BA07 BB02 BB09 BC02 CB01 DA17 4M104 DD99 HH20 4M106 AA01 AA11 AA12 BA04 CA48 CA70 DH03 DH12 DH31 DH37 DH38 DJ11 DJ18 DJ19 DJ21 5F043 BB30 DD25 DD30 EE08
Claims (10)
- 【請求項１】半導体装置製造工程における、ウェハ上の
絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び前記膜の成膜工程
または除去工程に於ける工程終了点の、片方または両方
を測定する測定方法であって、前記ウェハ上の前記膜面
の全体または一部分にプローブ光を照射する段階、前記
膜面からの反射光または透過光の信号光強度の変化を実
測する段階、前記プローブ光の空間コヒーレンス長と、
前記照射された面（測定対象面）の構造（パターン）の
微細度とを比較する段階、前記比較した結果に基づいて
光学モデルを決定する段階、前記光学モデルに基づいて
信号光強度を理論計算する段階、前記実測された信号光
強度と前記理論計算された信号光強度とを比較すること
によって前記膜厚及び前記工程終了点の片方または両方
を検知する段階を有することを特徴とする測定方法。 - 【請求項２】更に、前記測定対象面に照射するプローブ
光の空間コヒーレンス長（可干渉長）が制御可能である
ことを特徴とする請求項１記載の測定方法。 - 【請求項３】更に、前記測定対象面の微細度に応じて、
空間コヒーレンス長を変化させる段階を有することを特
徴とする請求項１、２何れか１項記載の測定方法。 - 【請求項４】更に、前記理論計算された信号光強度が記
憶される段階を有することを特徴とする請求項１〜３か
ら選ばれた何れか１項記載の測定方法。 - 【請求項５】前記信号光強度の理論計算が、指定された
膜厚間隔で選ばれた複数の膜厚に対して計算され、前記
比較が、前記理論計算された信号光強度と、前記実測さ
れた信号光強度との相似性の比較により行われることを
特徴とする請求項１〜４から選ばれた何れか１項記載の
測定方法。 - 【請求項６】前記相似性の比較が、前記理論計算された
信号光強度と実測された信号光強度との相互相関係数を
用いて行われ、更に、必要に応じて前記理論計算された
信号光強度のフーリエ変換曲線と実測された信号光強度
のフーリエ変換曲線との相互相関係数、及び前記理論計
算された信号光強度のフーリエ成分と実測された信号光
強度のフーリエ成分の位置と大きさ、の片方または両方
を用いて行われることを特徴とする請求項１〜５から選
ばれた何れか１項記載の測定方法。 - 【請求項７】半導体装置製造工程における、ウェハ上の
絶縁膜または金属電極膜の膜厚、及び前記膜の成膜工程
または除去工程に於ける工程終了点の片方または両方を
測定する測定装置であって、前記ウェハ上の前記膜面の
一部にプローブ光を照射する照射部、前記膜面からの反
射光または透過光の信号光強度の変化を実測する測定
部、前記プローブ光の空間コヒーレンス長と、前記照射
された面（測定対象面）の構造（パターン）の微細度と
の比較に基づいた光学モデルに基づいて信号光強度を理
論計算する計算部、前記実測された信号光強度と前記理
論計算された信号光強度とを比較することによって前記
膜厚及び前記工程終了点の片方または両方を検知する演
算部を具えることを特徴とする測定装置。 - 【請求項８】更に、前記プローブ光の空間コヒーレンス
長（可干渉長）を制御可能とする空間コヒーレンス長制
御部を具えることを特徴とする請求項７記載の測定装
置。 - 【請求項９】更に、前記理論計算された信号光強度を記
憶する記憶部を具えることを特徴とする請求項７、８何
れか１項記載の測定装置。 - 【請求項１０】前記演算部が、前記理論計算された信号
光強度と実測された信号光強度との相互相関係数を用い
て相似性の比較を行い、更に、必要に応じて前記理論計
算された信号光強度のフーリエ変換曲線と実測された信
号光強度のフーリエ変換曲線との相互相関係数、及び前
記理論計算された信号光強度のフーリエ成分と実測され
た信号光強度のフーリエ成分の位置と大きさ、の片方ま
たは両方を用いて相似性の比較を行うことを特徴とする
請求項７〜９から選ばれた何れか１項記載の測定装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4748599A JP2000241126A (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 測定装置及び測定方法 |
| US09/316,082 US6271047B1 (en) | 1998-05-21 | 1999-05-20 | Layer-thickness detection methods and apparatus for wafers and the like, and polishing apparatus comprising same |
| US09/881,445 US7052920B2 (en) | 1998-05-21 | 2001-06-13 | Layer-thickness detection methods and apparatus for wafers and the like, and polishing apparatus comprising same |
| US09/881,224 US6670200B2 (en) | 1998-05-21 | 2001-06-13 | Layer-thickness detection methods and apparatus for wafers and the like, and polishing apparatus comprising same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4748599A JP2000241126A (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 測定装置及び測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000241126A true JP2000241126A (ja) | 2000-09-08 |
Family
ID=12776438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4748599A Pending JP2000241126A (ja) | 1998-05-21 | 1999-02-25 | 測定装置及び測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000241126A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004528722A (ja) * | 2001-05-25 | 2004-09-16 | アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド | プロセス層の共形性を決定する方法および装置 |
| JP2005536076A (ja) * | 2002-08-13 | 2005-11-24 | ラム リサーチ コーポレーション | 凹部エッチング制御方法 |
| JP2009180640A (ja) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Oki Semiconductor Co Ltd | 膜厚測定方法 |
| JP2017509879A (ja) * | 2014-02-27 | 2017-04-06 | エシロール アテルナジオナール カンパニー ジェネラーレ デ オプティックＥｓｓｉｌｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐａｇｎｉｅ Ｇｅｎｅｒａｌｅ Ｄ’ Ｏｐｔｉｑｕｅ | 眼用レンズ上のマイクロエッチングを識別及び定位するための光学機器 |
| CN112775821A (zh) * | 2019-11-05 | 2021-05-11 | 创技股份有限公司 | 研磨装置 |
| CN112881341A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-06-01 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种确定有机薄膜光学常数和厚度的方法 |
-
1999
- 1999-02-25 JP JP4748599A patent/JP2000241126A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004528722A (ja) * | 2001-05-25 | 2004-09-16 | アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド | プロセス層の共形性を決定する方法および装置 |
| JP2005536076A (ja) * | 2002-08-13 | 2005-11-24 | ラム リサーチ コーポレーション | 凹部エッチング制御方法 |
| JP2005536074A (ja) * | 2002-08-13 | 2005-11-24 | ラム リサーチ コーポレーション | 反射率測定を使用してパターン基板処理をｉｎ−ｓｉｔｕモニタリングする方法 |
| JP4679364B2 (ja) * | 2002-08-13 | 2011-04-27 | ラム リサーチ コーポレーション | 反射率測定を使用してパターン基板処理をｉｎ−ｓｉｔｕモニタリングする方法 |
| JP4841953B2 (ja) * | 2002-08-13 | 2011-12-21 | ラム リサーチ コーポレーション | 凹部エッチング制御方法 |
| JP2009180640A (ja) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Oki Semiconductor Co Ltd | 膜厚測定方法 |
| JP2017509879A (ja) * | 2014-02-27 | 2017-04-06 | エシロール アテルナジオナール カンパニー ジェネラーレ デ オプティックＥｓｓｉｌｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐａｇｎｉｅ Ｇｅｎｅｒａｌｅ Ｄ’ Ｏｐｔｉｑｕｅ | 眼用レンズ上のマイクロエッチングを識別及び定位するための光学機器 |
| CN112775821A (zh) * | 2019-11-05 | 2021-05-11 | 创技股份有限公司 | 研磨装置 |
| CN112881341A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-06-01 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种确定有机薄膜光学常数和厚度的方法 |
| CN112881341B (zh) * | 2021-01-15 | 2023-02-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种确定有机薄膜光学常数和厚度的方法 |
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